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ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA POROSIDADE DE PASTA DE CIMENTO POR ULTRASSOM
V. S. Menezes(1), D. N. L. Ferronatto(1), E. M. Santos(1), J.F. S. Feiteira(1)
(1) Universidade Federal Fluminense – UFF
email: [email protected]
Avenida dos trabalhadores, 420 CEP 27255-125 Vila Santa Cecília Volta Redonda-RJ
RESUMO
As propriedades mecânicas do concreto ou argamassa são fortemente
influenciadas pela microestrutura do material, que são compostas por agregados,
produtos de hidratação do cimento e poros. Uma forma para determinar
propriedades mecânicas nestes materiais é com a aplicação do ensaio não
destrutivo por ultrassom. O objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade de estimar
a porosidade da pasta de cimento em função da velocidade de propagação de
ondas ultrassônicas correlacionando os dados obtidos por ensaios destrutivos. Para
isso foram analisadas 15 amostras de pasta de cimento, produzidas com cimento
Votornan CP III e razão água/cimento variando de 0,3 a 0,7. Os resultados indicaram
que o monitoramento da variação de velocidade de propagação permitiu determinar
de forma indireta o efeito da adição de água na porosidade do material e
consequentemente nas propriedades mecânicas. Tais resultados comparados com
ensaios convencionais destrutivos se mostraram muito eficientes com a vantagem
de serem não destrutivos.
Palavras-chave: ensaio de ultrassom, porosidade, argamassa, resistência mecânica.
60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP
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1 – INTRODUÇÃO
A investigação proposta neste trabalho, visa desenvolver em torno da análise
não destrutiva de materiais, um levantamento da estimativa da porosidade de pasta
de cimento, com diferentes razões água:cimento, onde utilizará a aplicação da
tecnologia de propagação de ondas ultrassônicas.
Chama-se ultrassom a uma onda mecânica com frequência superior a 20
kHz, logo, fora do alcance do ouvido humano. De acordo com ANDREUCCI (1) a
onda ultrassônica, como onda mecânica que é, precisa de um meio para se
propagar e, geralmente, apresenta maiores velocidades de propagação em meios
mais densos, sofrendo reflexão e refração na interface de dois meios com diferentes
densidades.
Ultrassom é uma técnica não destrutiva comumente usada para detectar,
localizar e dimensionar descontinuidades. Atualmente o ultrassom vem agregando
possibilidades a engenharia como a avaliação de texturas dos materiais,
determinação do tamanho de grão, estudo de constantes elásticas, avaliação de
porosidade em materiais cerâmicos entre outros casos.
De acordo com SOUZA (2) as ondas ultrassônicas propagam-se nos meios
elásticos com a passagem da energia acústica que faz com que as partículas que
compõe o mesmo, executem o movimento de oscilação em torno da posição de
equilíbrio e tendo sua amplitude de vibração reduzida com o tempo devido à perda
de energia adquirida pela onda.
Neste trabalho são empregadas ondas longitudinais, cujas partículas oscilam
na direção de propagação da onda. A vibração das partículas transfere a energia
cinética para os outros planos que passam a oscilar fazendo todo o meio elástico
vibrar na mesma direção de propagação da onda (3).
BUNGEY (4) diz que a velocidade da onda depende principalmente dos
seguintes fatores: coeficiente de Poisson, módulo de elasticidade e massa
específica da amostra.
As propriedades estruturais, fundamentais para a descrição dos materiais
porosos, são: a porosidade, a área específica e a distribuição dos poros por
tamanho.
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Segundo CAMPITELLI (5), a porosidade de um material é a sua propriedade
de apresentar poros ou vazios. É representada pela fração do volume total de uma
amostra porosa, que é ocupada por poros ou por espaços vazios.
De acordo com QUARCIONI (6) a formação de poros na pasta de cimento
geralmente está associada à hidratação do cimento e à evaporação da água livre
nos poros capilares.
Em materiais cerâmicos à base de cimento existem diferentes técnicas para
estimar a porosidade, dentre elas cita-se porosidade por imersão, porosimetria por
mercúrio, tomografia, microscopia eletrônica de varredura (MEV), ultrassom, entre
outras. Neste trabalho utiliza-se a técnica de propagação de ondas ultrassônicas,
comparando com os dados encontrados no ensaio por imersão, que é um ensaio
mais convencional. Sendo o principal objetivo deste trabalho, avaliar a viabilidade de
estimar a porosidade da pasta de cimento em função da velocidade de propagação
de ondas ultrassônicas.
A relação entre a propagação de ondas ultrassônicas e a porosidade, baseia-
se no modelo proposto por YAMAN et. al. (7). Primeiro, as velocidades da onda
longitudinal estão relacionadas com o módulo de elasticidade e a densidade,
conforme equação (A).
(A)
Onde E é o módulo de Young, ν é o coeficiente de Poisson e é a densidade.
Pressupõe na equação (A) que haja homogeneidade no material que recebe a onda
ultrassônica, além da condição do comprimento de onda ser muito maior do que o
tamanho do grão (8).
Logo após, a relação entre o módulo de Young e a porosidade p é expressa
utilizando um parâmetro de ajuste empírico (9).
(B)
Na equação (B) o termo n é um parâmetro de ajustamento empírico e E0 é o
módulo de Young do material com porosidade zero (nos próximos termos, índice 0
estará se referindo ao material de porosidade zero). Segue também a densidade
relacionada com a porosidade, conforme equação (C).
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(C)
A porosidade não influencia no coeficiente de Poisson, isto é, . A
inserção das equações (B) e (C) na equação (A) produz:
(D)
Onde
Conforme estudos de MARTIN (10), para baixos valores de porosidade, a
equação (D) pode ser aproximada para a seguinte relação linear:
(E)
(F)
Os estudos realizados e publicados por MARTIN (10), demonstram que o
melhor parâmetro de ajuste para a velocidade longitudinal no que diz respeito à
porosidade, no material cerâmico, é dado por n = 1,51. A velocidade longitudinal à
porosidade zero, encontrada por MARTIN (10) foi 5.972,9 m/s.
Já nas análises realizadas por YAMAN (7) no material cerâmico, mais
especificamente no concreto, foram encontrados os seguintes valores, presentes na
Tabela 1, para as propriedades mecânicas considerando um material à porosidade
zero. A Tabela 1 exibe os valores de propriedades mecânicas do concreto à
porosidade zero (7).
Tabela 1: Propriedades mecânicas do concreto à porosidade zero
Propriedades
Mecânicas
Velocidade do ultrassom
[m/s]
Densidade
[Kg/m³]
Módulo Elástico
[GPa]
5337 2487 45,35
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2 – MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 - Preparação das Amostras
Para o desenvolvimento deste trabalho foram preparadas amostras de pasta
de cimento, utilizando o cimento Portland CPIII-40, e água potável do sistema de
abastecimento da cidade de Volta Redonda/RJ. Estas amostras de pasta de cimento
foram preparadas com diferentes valores de razão água:cimento, variando de 0,3 a
0,7.
A água e o cimento foram pesados previamente e misturados na misturadora
de areia ML.7 (FUNGEL – Roterid Companhia Mecânica), na qual foram misturados
gradativamente com adição de água em pequenas parcelas, com tempos de mistura
de 1:30, 1:30 e 2:00, totalizando 5:00 minutos de mistura. A mistura foi depositada
em molde de PVC, e vibrada em mesa vibratória durante 2:00 minutos com 3000
ciclos por minuto, sendo depois curada em ambiente saturado em água a 25ºC por
28 dias. Para cada razão de água:cimento foram obtidos 3 corpos de prova,
totalizando 15 corpos de prova. Os corpos de prova foram moldados em formatos
cilíndricos, conforme norma regulamentadora NBR 5738:2007, para realização dos
ensaios por ultrassom e compressão.
2.2 Ensaio por Ultrassom
Utilizou-se um gerador de pulsos ultrassônicos (emissor/receptor), modelo
5058PR alta voltagem – Olympus NDT [Nondestructive testing Products], 100 –
900V com configurações de tensão contínua e gradual, atenuador de 0 – 80dB em
passos de 1dB e escala de 1dB - 60 dB.
Os pulsos gerados excitam o transdutor piezelétrico que transmite ao material
em análise as ondas ultrassônicas. Estas ondas percorrem o material e incidem no
transdutor receptor, mostrando na tela do osciloscópio os ecos relativos ao tempo
decorrido para a onda se propagar ao longo da espessura do corpo de prova.
Foram utilizados dois transdutores Olympus (emissor/receptor) na frequência
50KHz, de ondas longitudinais e incidência normal, acoplados em faces opostas
com graxa como acoplante, pela técnica da transparência de ensaio por ultrassom.
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2.3 Ensaio de Compressão e Ensaio por Imersão
Realizou-se o ensaio de compressão mecânico na máquina universal, modelo
EMIC DL 6000, com capacidade de 600kN (60000 kgf), carregamento constante de
velocidade 1mm/min até ruptura do corpo de prova, conduzido de acordo com as
normas NBR 5738:2007 e NBR 5739:2007. Logo após o ensaio de compressão,
realizou-se, segundo a norma NBR 9778:2005, os ensaios de porosidade por
imersão. A equação (G) refere-se ao cálculo da porosidade por imersão em água à
temperatura de (232)ºC, durante 72 horas.
(G)
3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 – Porosidade via ultrassom e imersão em água
Conforme relatado por CUETO (11), a velocidade da onda ultrassônica está
relacionada às propriedades específicas do meio pelo qual a onda se propaga. Na
Figura 1 observa-se este fato, através da queda da velocidade de propagação da
onda ultrassônica longitudinal em função do aumento da razão água:cimento das
amostras analisadas, onde o desvio padrão amostral é de 46,56 m/s.
Figura 1: Velocidade da onda ultrassônica em função da razão água:cimento
Observa-se ainda, com a razão menor entre água:cimento, as amostras são
mais compactas, diminuindo os espaços microscópios no seu interior, favorecendo o
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aumento da velocidade de propagação da onda ultrassônica nos corpos de prova
que possuem menor razão água:cimento.
Tendo em vista que a medição da porosidade por ultrassom se relaciona com
a velocidade de propagação da onda ultrassônica longitudinal, pois maiores são as
perdas do sinal no meio com elevado nível de porosidade, ou seja, quanto maior a
razão água:cimento menor é a velocidade da onda ultrassônica.
O gráfico na figura 2 compara os valores de porosidade encontrados nos dois
ensaios realizados para este trabalho, ensaio por ultrassom e ensaio por imersão.
No gráfico da Figura 2 pode-se visualizar a proximidade dos valores encontrados
nos dois ensaios. Sabendo-se que o ultrassom é o ensaio mecânico mais apropriado
e viável, para a determinação da porosidade em estruturas à base de pasta de
cimento em execução.
Os percentuais de porosidade encontrados nos ensaios por ultrassom e por
imersão confirmam as afirmações de QUARCIONI (6), onde o volume de poros
capilares na pasta de cimento endurecida depende da quantidade de água de
amassamento adicionada no início da hidratação e do grau de hidratação do
cimento. Sendo assim, quanto maior o volume de água presente nas amostras,
maior é o percentual de poros formados no interior das mesmas.
Figura 2: Valores percentuais de porosidade por ultrassom e imersão em água
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A porosidade encontrada nos ensaios também está de acordo com as
afirmações de CAMPITELI (5), após o esqueleto estrutural tenha se formado, a água
em excesso é atraída para as superfícies sólidas da pasta de cimento, constituindo a
formação de poros no interior das amostras.
A Tabela 2 apresenta os valores percentuais de porosidade dos ensaios por
ultrassom e por imersão, com os respectivos erros amostrais para cada razão de
água:cimento.
Tabela 2: Valores percentuais de porosidade dos ensaios por ultrassom e imersão
Razão 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Porosidade por ultrassom 16,08 21,74 28,93 39,53 42,26
Porosidade por Imersão 18,16 25,11 30,54 38,15 43,39
Erro 0,11 0,13 0,05 0,04 0,03
De acordo com os dados apresentados na tabela 2, o maior erro entre os
ensaios mecânicos foi de 0,11.
3.2 – Estimativa da porosidade via ultrassom
O gráfico presente na figura 3 mostra a relação da porosidade do corpo de
prova, em função da velocidade de propagação da onda ultrassônica longitudinal.
Figura 3: Estimativa da porosidade via velocidade ultrassônica
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A Figura 3 está de acordo com as afirmações apresentadas por ANDREUCCI
(1), onde se verifica maiores velocidades de propagação da onda em amostras com
menores porosidades. Enquanto que nas amostras com maiores valores percentuais
de porosidade, encontram-se as menores velocidades de propagação da onda
ultrassônica.
A estimativa da porosidade, utilizando a técnica da transparência no ensaio
por ultrassom, está coerente com as conclusões de BUNGEY (4), uma vez que a
velocidade da onda depende da massa específica da amostra, ou seja, os poros
fechados, abertos e capilares presentes nos corpos de prova influenciam na
velocidade de propagação da onda ultrassônica longitudinal.
A metodologia aqui utilizada demonstra, em caráter experimental e
introdutório, a possibilidade do ensaio por ultrassom ser utilizado na avaliação da
porosidade de amostras à base de pastas de cimento. Entretanto, sua aplicação
definitiva como método de avaliação não destrutivo exige mais pesquisas para
formulação do método, considerando-se outros tipos de materiais, tais como
argamassa e concreto. O resultado final para esta estimativa é apresentado
relacionando os valores representativos das variáveis de velocidade de propagação
da onda ultrassônica longitudinal e porosidade, conforme Tabela 3 a seguir.
Tabela 3: Intervalos de Valores de Velocidade x Porosidade
Velocidade [m/s] Porosidade [%]
4000 – 4200 98,16 – 83,46
4200 – 4400 83,46 – 68,76
4400 – 4600 68,76 – 54,06
4600 – 4800 54,06 – 39,36
4800 – 5000 39,36 – 24,66
5000 – 5330 24,66 – 0,41
> 5330 0
3.3 – Ensaio de compressão
Os dados referentes aos ensaios de compressão são apresentados na tabela
4. Na tabela 4 temos as médias dos valores de carga máxima [KN] e compressão
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máxima [MPa], onde a maior resistência encontrada foram nos corpos de prova com
menor razão água:cimento.
Tabela 4: Dados dos Ensaios de Compressão (28 dias de cura)
Razão água:cimento 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Carga Máxima [KN] 208,27 110,92 100,61 101,37 88,07
Compressão Máxima [MPa] 50,61 27,75 24,61 25,44 21,64
Desvio Padrão 32,8 15,02 8,34 12,27 7,12
Os ensaios de compressão confirmam que a quantidade de água adicionada
em cada mistura é de grande importância na resistência à compressão das amostras
de pasta de cimento analisadas.
De acordo com as tensões obtidas nos ensaios de compressão, estima-se
uma relação com tendência polinomial entre a tensão de compressão e a velocidade
de propagação da onda ultrassônica em materiais cerâmicos à base de cimento
portland do tipo CPIII-40.
As estimativas da tensão de compressão, em função da velocidade de
propagação da onda ultrassônica são apresentadas na Figura 4, possibilitando o
levantamento de dados referente à compressão por meio do ensaio de ultrassom,
não necessitando danificar ou destruir a amostra a ser analisada.
Figura 4: Gráfico da Velocidade de Ultrassom x Tensão
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Os dados encontrados demonstram a existência de uma relação entre
resistência e velocidade da onda ultrassônica. O ajuste foi obtido pela regressão
polinomial de grau 4 (quatro), exibindo coeficiente de correlação igual a 1 (um).
4 – CONCLUSÕES
Conclui-se que os estudos realizados nesta pesquisa apontam para a
viabilidade de utilização do ensaio por ultrassom como recurso de estimativa da
porosidade de materiais à base da pasta de cimento portland CPIII-40.
REFERÊNCIAS
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Técnicos Ltda. São Paulo-SP, p. 98. 2008.
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Direção de Laminação em Materiais Metálicos. Universidade Federal Fluminense.
Volta Redonda-RJ, p. 93. 2014.
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Editora Unificado, 2003.
4 BUNGEY, J. H. The Testing of Concrete in Structures. 2 ed. ed. London: Surrey
University Press, 1989.
5 CAMPITELI, V. C. Porosidade do Concreto. Departamento de Construção Civil
da Escola Politécnica da USP. São Paulo, p. 20. 1987. (ICS/CIN).
6 QUARCIONI, V. A. . C. F. F. . Â. S. C. . M. S. . C. G. D. R. . C. A. L. . M. A.
Estimativa da porosidade de argamassas de cimento e cal pelo método de
cálculo de volumes. Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído.
Porto Alegre, p. 175 - 187. 2009. (ISSN 1678-8621).
7 YAMAN, I. O. . A. H. M. . N. Active and non-active porosity in concrete Part II:
Evaluation of existing models. RILEM Journal of Materials and Structures 35 (246).
[S.l.], p. 110 - 116. 2002.
8 PESSOA, D. B. Estudo dos Efeitos da microestrutura do material e da
frequência do sinal ultrassônico na análise de flutuações. Universidade Federal
do Ceará. Fortaleza, p. 106. 2013.
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press, v. II, 1982.
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elasticity-porosity relations in zinc oxide. Journal of the American Ceramic
Society 79 (5). [S.l.], p. 1281 - 1289. 1996.
11 CUETO, A. R. Ensayos no destructivos por la técnica de ultrasonido
industrial. México. 1989.
12 OLIVEIRA, L. S. Reaproveitamento de Resíduos de Marmoraria em
Compósitos Cimentícios. Universidade Federal de São João Del-Rei. São João
Del-Rei. 2015.
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Compósitos Cimentícios. The Department Of Architecture School of Environmental
Technology Federal University of Technology. Akure. 2008.
14 GOMES, I. Aquisição e Reprodução do Som. Site da Weebly, 2010. Disponivel
em: <http://aibsomig.weebly.com>. Acesso em: 29 Agosto 2015.
15 NEVILLE, A. M. Properties of concrete. 3ª ed.. ed. [S.l.]: Singapure, 1997.
16 NBR 5738. Moldagem e Cura de Corpos de Prova Cilíndricos ou Prismáticos
de Concreto. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio deJaneiro, p. 6. 2003.
(ICS/CIN).
17 NBR 5739. Concreto - Ensaios de compressão de corpos-de-prova
cilíndricos. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, p. 9. 2007.
(ICS/CIN).
60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP
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speed. These results compared to conventional destructive tests proved very
effective with the advantage of being nondestructive.
Keywords: ultrasound test, porosity, mortar, mechanical resistance.
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POROSITY BEHAVIOR STUDY OF PASTE CEMENT IN ULTRASOUND
ABSTRACT
The mechanical properties of concrete and mortar are strongly influenced by
the microstructure of the material, which is composed of aggregates, anhydrous
cement, hydration products and pores. One way to determine mechanical properties
of these materials is the application of non-destructive ultrasound test. The objective
of this study was to evaluate the feasibility of estimating the porosity of the cement
paste by ultrasonic wave propagation speed, correlating the data obtained by
destructive testing. To achieve this, 15 samples of cement paste produced with
cement Votornan CP III and water / cement ratio from 0.3 to 0.7 were analyzed. The
results indicated that the effect of added water on the porosity of the material and
mechanical properties can be monitored indirectly by the change in propagation